3-电迁移解析课件

电迁移

(Electromigration)主要内容电迁移原理影响因素失效模式抗电迁移措施铝膜的再构应力迁移电迁移现象：当器件工作时，金属互连线内有一定电流通过，金属离子会沿导体产生质量的输运，其结果会使导体的某些部位产生空洞或晶须(小丘)，这就是电迁移现象。电迁移原理Sequenceofpicturesshowingvoidandhillockformationinan8µmwideAlinterconnectduetoelectromigration

(currentdensity2x107A/cm²,temperature230°C)电迁移原理

SEMmicrograph,8µmwideinterconnect,earlyEMstageSEMimage,EMfinalstage(failure)电迁移原理SEMmicrographshowingvoidsandhillocks电迁移原理电迁移原理<--金属互连中电迁移

效应简化示意图电迁移原理块状金属：在接近材料熔点的高温时才发生电迁移现象薄膜材料：截面积很小j107A/cm2

在较低温度下就可发生电迁移现象基本的流量公式：Fm:离子流量N:原子密度D0:扩散系数k:波尔兹曼常数Z*q:有效离子电荷E:电场Ea:激活能电迁移原理通电导体中作用在金属离子上的力F有两种：1.电场力Fq2.摩擦力Fe：导电载流子和金属离子间相互碰撞发生动量交换而使离子产生运动的力。对铝、金等金属膜，载流子为电子，此时电场力很小，摩擦力起主要作用，离子流与载流子运动方向相同，这一摩擦力又称“电子风”。F=Fq+Fe=Z*qEZ*为有效原子价数；E为电场强度；q为电子电荷。Z*<0时是“电子风”，使金属离子向正极移动Z*>0时是“空穴风”，使金属离子向负极移动，抗电迁移能力变大铂、钴、金、铝的分别为+0.3,+1.6,-8,-30电迁移原理产生电迁移失效的原因

内因：薄膜导体内结构的非均匀性

外因：电流密度变大失效的中位寿命tMTF用Black方程表示(直流情况下)为电迁移原理根据空位松弛模型可推出其中位寿命。（方法如下）令d是互连线中空洞(或其它缺陷、损伤，最终能导致失效的机制)体积，d的增加率比例于空位流Fv，Fv等于空位浓度n与空位速度的乘积，速度比例于电流密度，而与脉冲工作比及频率无关。R是比例常数，是d的函数，中位寿命tMTF是d达到某临界值所需的时间。电迁移原理假定空位的松弛时间是t，空位产生率比例于|J|m-1，比例常数为a，则使用|J|是由于产生空位数依赖于向晶格传递动量的有限电子数，而与电子流方向无关。＝>电迁移原理布线几何形状的影响热效应晶粒大小介质膜合金效应脉冲电流影响因素

布线几何形状的影响

影响因素线长度线宽度线的截面积在台阶处影响因素Metalfilmdifferentwidthpatternedlines热效应金属膜的温度及温度梯度对电迁移的寿命影响极大。影响因素图金属离子沿晶界扩散引发失效示意图（a）金属离子散度不为零处，引起净质量的堆积和亏损；（b）大小晶粒交界处出现小丘或空洞影响因素晶粒大小

介质膜互连线上覆盖介质膜(钝化层)后，不仅可防止金属条的意外划伤，防止腐蚀及离子玷污，也可提高其抗电迁移的能力。

合金效应能提高铝的抗电迁移能力。影响因素

脉冲电流短路

断路

参数退化失效模式a)Opencircuitfailure

.b)

Hillocking,shortcircuitfailure失效模式设计工艺材料多层结构覆盖介质膜抗电迁移措施定义：铝条经过热循环或脉冲功率老化后，表面变得十分粗糙甚至发黑，在扫描电镜下可看到铝表面出现许多小丘、晶须或皱纹等。原因：铝膜承受热应力引起的。后果：再构现象会导致铝膜电阻增大或器件内部瞬间短路，也可引起某些地方电流密度增大，从而加速电迁移的发生。措施：在铝中掺铜，增大铝条晶粒尺寸以及覆盖SiO2等介质膜可以使铝的再构现象减少或避免，提高器件抗热循环的能力。铝膜的再构定义：当铝条宽度缩减到3mm以下时，经过温度循环或高温处理，也会发生铝条开路断裂的失效。这时空洞多发生在晶粒边界处，这种开路失效叫应力迁移。铝条越细，应力迁移失